Budonicto i Architektura 12(3) (2013) 121-128 Zale no parametró konsystencji od uziarnienia gruntó madoych Krzysztof Wilk 1 1 Katedra Geodezji i Geotechniki im. Kaspra Weigla, Wydział Budonicta i n ynierii rodoiska, olitechnika Rzeszoska im. gnacego Łukasieicza, e mail: kilk@prz.edu.pl Streszczenie: Okre lenie no no ci podło a gruntoego ymaga znajomo ci jego parametró ytrzymało cioych. Najlepszym sposobem ła ciego rozpoznania gruntu jest ykorzystanie bezpo rednich metod badaczych. W przypadku budoli mniej odpoiedzialnych, projektoanych na podło u o nieskomplikoanej budoie cz sto uzasadnione ydaje si ostro ne przyj cie parametró gruntu bez przeproadzania kompleksoych analiz. odsta ustalenia arto ci parametró geotechnicznych jest tedy ich szacoanie oparciu o ustalone korelacje pomi dzy ła cio ciami mechanicznymi i fizycznymi gruntu. Trudno ustaleniu spomnianych korelacji ynika z mnogo ci czynnikó mog cych płya na charakterystyk materiału gruntoego. W pracy przedstaione zostan korelacje pomi dzy uziarnieniem (zaarto ci frakcji iłoej) oraz parametrami konsystencji gruntu (granic plastyczno ci, granic płynno ci, ska nikiem plastyczno ci, stopniem plastyczno ci). Analizoane ielko ci zostały ustalone yniku bada podło a aluialnego, postałego yniku akumulacji rzecznej, z terenu Rzeszoa. Znalezione relacje, opisane rónaniami linioymi, porónano z badaniami prezentoanymi literaturze geotechnicznej. Wspomniane porónania ukazuj cz sto istotny pły regionalnych arunkó postaania podło a gruntoego na parametry konsystencji. Słoa kluczoe: grunty madoe, granice konsystencji, stopie plastyczno ci, uziarnienie gruntu, frakcja iłoa. 1. Wproadzenie oprane projektoanie posadoie obiektó budolanych ymaga uprzednio ła ciego okre lenia arunkó geotechnicznych. Dokładno rozpoznania podło a zale y od jego skomplikoania oraz rangi planoanego obiektu. Je li inestycja została zakalifikoana do lub kategorii geotechnicznej ystarczaj ce mo e okaza si po rednie oszacoanie parametró mechanicznych podło a. Uproszczenie metodyki badaczej oznacza tym przypadku ykorzystanie ustalonych zale no ci pomi dzy ró nymi ła cio ciami gruntu. Najcz ciej stosoane, okre laniu parametró gruntu po redni metodyk, zale no ci podane normie [1] nie uzgl dniaj jednak specyfiki szystkich typó podło a gruntoego, szczególno ci gruntó spoistych. W przypadku gruntó gruboziarnistych, ich skład granulometryczny, po uzgl dnieniu zag szczenia materiału okruchoego, przekłada si niemal prost na parametry mechaniczne. W odniesieniu do gruntó drobnoziarnistych o ich no no ci i odkształcalno ci decyduj zale no ci bardziej zło one. W ród czynnikó maj cych naji kszy pły na ytrzymało gruntó spoistych nale y ymieni : uziarnienie gruntu, ilgotno naturaln nai zaniu do ilgotno ci granic konsystencji (złaszcza granicy płynno ci i granicy plastyczno ci) gruntu, histori postania oraz obci enia (arunki sedymentacji i konsolidacji gruntu, eentualnie pły dodatkoych procesó geologicznych kształtuj cych podło e, a tak e skład mineralogiczny). Okre lenie arto ci napr enia prekonsoliduj cego jest zadaniem bardzo trudnym,
122 Krzysztof Wilk o ile ogóle mo liym, z uagi na brak udokumentoania obci e działaj cych przeszło ci. o rednie sposoby znajdoania tej ielko ci s aktualnym przedmiotem bada ielu o rodkó naukoych. Jednym z podstaoych czynnikó maj cych pły na ła cio ci fizyczne i mechaniczne gruntó, jako materiałó rozdrobnionych jest ich skład granulometryczny. Jednak, ustalenie ich uziarnienia, złaszcza odniesieniu do gruntó o znacz cej zaarto ci drobniejszych frakcji mo e by badaniem dosy kłopotliym. Okre lenie zaarto ci frakcji iłoej ymaga przeproadzenia czasochłonnej analizy areometrycznej, b d te u ycia zaaansoanych i kosztonych elektronicznych urz dze pomiaroych. nnym a nym parametrem fizycznym opisuj cym przydatno gruntó spoistych do celó budolanych jest stopie plastyczno ci. Okre lenie jego arto ci jest mo lie po yznaczeniu poprzez stosunkoo nieskomplikoane badania stałych dla danego rodzaju gruntu granic konsystencji: granicy plastyczno ci i granicy płynno ci. W pracy przedstaione zostały zale no ci okre lone podczas bada podło a madoego gruntó akumulacji rzecznej postałych yniku deponoania rozdrobnionego materiału skalnego podczas ezbra na obszarze teras zaleoych [2], [3], [4]. Nale y uzna, i grunty aluialne stanoi podło e normalnie skonsolidoane, a pły eentualnych dodatkoych obci e pojaiaj cych si okresoo przeszło ci jest pomijalny. W przypadku analizoanego podło a madoego dodatkoe obci enie mogły stanoi okresoe ezbrania ciekó odnych. Działanie zi kszonego ci nienia hydrostatycznego było jednak obci eniem krótkotrałym, a jego arto nieielka porónaniu z napr eniem geostatycznym ynikaj cymi z ci aru łasnego gruntu. Dodatkoo ci ar gruntu poni ej zierciadła ody ulegał odpoiedniej redukcji. Wobec poy szego ro nie znaczenie płyu pozostałych czynnikó na ytrzymało podło a aluialnego. Naturalna ilgotno nie jest parametrem przypisyanym konkretnemu rodzajoi gruntu, niezale nym od czynnikó zen trznych. Takimi parametrami s jednak: skład granulometryczny oraz granice konsystencji. Obecnie, spomniane cechy funkcjonuj jako charakterystyki niezale ne od siebie. Uzasadnione jednak ydaje si poszukianie penych poi za pomi dzy nimi. [ %] 100 1 0 90 m m,0 5-2 3 0 n ice0 4 0 red a- 5 0 p iasko 6 0 f rakcja 7 0 8 0 2 0 80 f 70 rakcja 60 ił oa - 50 rednice 40 < 0, 00 2 30 mm 20 1 00 9 0 [% ] [%] 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00 frakcja pyłoa - rednice 0,002-0,05 mm Rys. 1. Uziarnienie madoych gruntó spoistych z terasy rzeki Wisłok z okolic isiej Góry Rzeszoie Badane próbki gruntó spoistych pochodziły z terasy zaleoej rzeki Wisłok Rzeszoie, z okolic isiej Góry [4], [5]. obrane zostały z ró nych gł boko ci. rzeproadzone analizy uziarnienia gruntó madoych dały obraz znacznego 10
Geotechnika Zależność parametró konsystencji... 123 zró nicoania podło a obszarze naet jednego poligonu bada. Na podstaoym poligonie bada okolicach isiej Góry yst poały z reguły grunty mało i rednio spoiste o charakterystyce przedstaionej na rysunku nr 1. Na trójk cie Fereta (rys.1.) idoczna jest tendencja zrostu zaarto ci frakcji pyłoej raz ze zi kszaniem si ilo ci frakcji iłoej. Zaarto cz ci organicznych okre lona metod utleniania ynosiła rednio 1,73%. Badane próbki gruntu ilo ci 58 sztuk pobierane z ró nych gł boko ci posiadały zró nicoane uziarnienie oraz ilgotno, a tym samym stopie plastyczno ci. 2. Analiza ynikó przeproadzonych bada Ustalone dla badanych próbek gruntó madoych zale no ci przedstaione zostały poni ej formie ykresó oraz linioych róna regresji. Rys. 2. Zale no pomi dzy zaarto ci frakcji iłoej i granic plastyczno ci badanych mad rost regresji dla rezultató przedstaionych na rys. 2 opisuje rónanie (1): = 0,827* fi + 13,717 (1) Celem porónania, ni ej zaprezentoane zostały zale no ci ustalone przez innych badaczy: = 0, 5 5 * fi + 12,579 [3] (2) = 0, 3 1 * fi + 22,48 [6] (3) = 0, 4 4 * fi + 13,50 [7] (4) Rónanie (2) opisuje rónie podło e aluialne [3], dla którego zaarto frakcji iłoej niektórych próbkach przekraczała 50%, a rednio ynosiła 26%. Ten fakt mo e by głónym poodem jego innej charakterystyki ni uzyskana przez autora. Zale no (3) postała oparciu o badania gruntó lessoych o zaarto ci frakcji iłoej (f i < 0,002 mm) badanym gruncie poni ej 40% ze stanu oa Stanach Zjednoczonych [6]. Rónanie opisane zorem (4) odnosi si do osadó pochodzenia morskiego z Hongkongu [7]. roste opisane rónaniami (2), (3) i (4) ykazuj mniejsze pochylenie ni zale no znaleziona yniku proadzonych przez autora bada (1).
124 Krzysztof Wilk Rys. 3. Zale no pomi dzy zaarto ci frakcji iłoej i granic płynno ci badanych mad Zale no pomi dzy zaarto ci frakcji iłoej i granic płynno ci (rys. 3) została opisana nast puj cym rónaniem (5): 2,073* f + 12,916 = i Rónania ustalone dla innych gruntó przedstaiaj si nast puj co: = 1,504* fi + 11,407 [3] (6) = 0, 8 8 * fi + 18,30 [6] (7) = 1, 7 0 * fi + 13,50[7] (8) = 2, 3 9 * fi + 7,409 [8] (9) Charakter rónania (7) najbardziej ró ni si od pozostałych spółczynnik kierunkoy, czyli tangens k ta pochylenia ykresu okre laj cy przyrost arto ci jest znacznie mniejszy ni pozostałych yra eniach. Zale no (9) postała oparciu o analiz gruntó spoistych pochodzenia morskiego zdeponoanych u ybrze y indyjskich [8]. Wska nik plastyczno ci jest parametrem okre laj cym zdolno gruntu do przej cia ze stanu półzartego do stanu płynnego, czyli jego ra lio na zrost zailgocenia. Wska nik plastyczno ci zale y linioo od zaarto ci gruncie frakcji iłoej. Zale no t dla badanych mad zobrazoano na rys. 4. i opisano rónaniem (10): 1,247* f 0,801 = i nni badacze podobne zale no ci opisali nast puj co: = 0,954* f i 1,172 [3] (11) = 1, 2 1 * fi 11,50 [6] (12) = 1, 2 6 * f i [7] = 1, 2 2 * f i 3, 2 4 [9] (14) Zale no (14) yznaczona została dla czartorz doych gruntó morenoych z terenu Górnego l ska [9]. (5) (10) (13)
Geotechnika Zależność parametró konsystencji... 125 Rys. 4. Zale no pomi dzy zaarto ci frakcji iłoej i ska nikiem plastyczno ci badanych mad rzeproadzone analizy ykazały dobr korelacj pomi dzy granicami konsystencji badanego gruntu. Zaprezentoano j na rys. 5 oraz za pomoc rónania (15): 0,445* + 7,034 = (15) Rys. 5. Zale no pomi dzy granic płynno ci i granic plastyczno ci badanych mad Na rys. 6. przedstaiona została zale no pomi dzy ska nikiem plastyczno ci i granic płynno ci. rosta regresji opracoana na podstaie bada autora została opisana nast puj cym rónaniem (16): = 0,555* 7,034 (16) Uło enie prostej (16) jest bardziej poziome ni linia A g Casagrande a. Wyniki innych badaczy [3] rónie skazuj na podobne do autora uło enie prostej regresji.
126 Krzysztof Wilk Rys. 6. Zale no pomi dzy zaarto ci granic płynno ci i ska nikiem plastyczno ci badanych mad Dodatkoo spradzono poi zania uzgl dniaj ce pły ilgotno ci naturalnej gruntu poł czeniu z granicami konsystencji na stopie plastyczno ci podło a (rys. 7. i rys. 8.) Rys. 7. Zale no pomi dzy ilorazem ilgotno ci naturalnej i granicy plastyczno ci a stopniem plastyczno ci badanych mad rosta regresji opracoana na podstaie rys. 7. została opisana nast puj cym rónaniem (17): = 1,969 * 1,943 (17) Dla rezultató bada przedstaionych na rys. 8. rónanie linioe (18) przybiera posta : = 2,985 * 1,965 (18) W pi miennictie bran oym [10] podany został zór (19) opisuj cy przedstaion y ej zale no, który jednak istotny sposób ró ni si od poi zania ustalonego dla analizoanego podło a aluialnego:
Geotechnika Zależność parametró konsystencji... 127 = 1, 5 5 * 0, 5 6 [10] (19) Rys. 8. Zale no pomi dzy ilorazem ilgotno ci naturalnej i granicy płynno ci a stopniem plastyczno ci badanych mad 3. odsumoanie Okre lenie no no ci podło a gruntoego ymaga znajomo ci jego parametró ytrzymało cioych. Najdokładniejszym sposobem ich ustalenia jest przeproadzenie odpoiednich bada uzgl dniaj cych pły ró nego rodzaju czynnikó na otrzymane arto ci. U yanie analizach posadoie parametró okre lonych taki sposób daje garancje przyj cia optymalnych rozi za fundamentoych. Jednak e przypadku budoli mniej odpoiedzialnych, projektoanych na podło u o nieskomplikoanej budoie uzasadnione ydaje si ostro ne przyj cie parametró gruntu bez kompleksoego rozpoznania podło a. Koszty i czas po i cony na przeproadzenie dokładnych analiz, takich przypadkach rzadko znajduj pó niej soje odzierciedlenie oszcz dniejszych rozi zaniach posadoie. Zaróno przypadku szczegółoych bada podło a, jak i szacunkoym okre laniu jego parametró stosoanych jest szereg spółczynnikó zi kszaj cych bezpiecze sto konstrukcji (uzgl dniaj cych rónie eentualne bł dy postałe na etapie rozpoznania gruntu). Nacisk kładziony na rozpoznanie podło a z ykorzystaniem bezpo rednich metod badaczych jest jak najbardziej uzasadniony. Wskaza nale y jednak rónie, na potrzeb poszukiania zale no ci korelacyjnych pomi dzy parametrami gruntu, celem szybszego i ta szego rozpoznania geotechnicznego, nie tylko na potrzeby projektoania noych obiektó, ale mo e przede szystkim celem ułatienia eryfikacji jako ci podło a trakcie realizacji robót budolanych. W literaturze geotechnicznej opisanych zostało ju szereg zale no ci ustalonych yniku bada proadzonych na ró norodnym materiale gruntoym. Zaznaczy nale y, e spomniane relacje odzierciedlaj regionalne charakterystyki gruntu i przea nie nie mog mie zastosoania dla podło a o innej genezie. Zaprezentoane pracy rezultaty bada ykazuj poprane skoreloanie z rónaniami prostych regresji. Najmniejsza arto kadratu spółczynnika korelacji ynosi 0,5322, co oznacza arto spółczynnika earsona rón 0,73. W i kszo ci analiz arto R przekracza 0,9. Zdecydoanie lepsz zbie no ynikó uzyskano dla relacji odnosz cych si do granicy płynno ci, ani eli do granicy plastyczno ci. Jest to pradopodobnie zi zane z i ksz dokładno ci procedury badania tego parametru.
128 Krzysztof Wilk iteratura 1 N-81/B-03020, Grunty budolane, osadoienie bezpo rednie budoli, Obliczenia statyczne i projektoanie. 2 My li ska E. Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. Wydanicto Naukoe WN, Warszaa, 2001. 3 My li ska E. Engineering-geological problems in investigations on soft soils in river valleys. 6 th nternational AEG Congress, Balkema, Rotterdam, 1990. 4 Jaremski J., Wilk K. Analiza płyu zmian zailgocenia gruntó madoych yołanych stanami poodzioymi na parametry geotechniczne. Zeszyty Naukoe olitechniki Rzeszoskiej, nr 208, Budonicto i n ynieria rodoiska, z. 36, Rzeszó, 2004. 5 Jaremski J., Wilk K. nfluence of fen soils moisture changes on the strength parameters and applied foundation solutions. rocedings of the 10 th nternational Congress of the AEG, Nottingham, 2006. 6 Davidson D.T., Sheeler, J.B. Clay Fraction in Engineering Soils: nfluence of Amount on roperties. roceedings of the Highay Research Board, Vol. 31, 1952, 558-563. 7 Yin J-H. roperties and Behaviour of Hong Kong Marine Deposits ith Different Clay Contents. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 36, 1999, 1085-1095. 8 Sridharan A. Engineering Behaviour of Marine Clays. roceedings of the nternational Conference on Offshore and Nearshore Geotechnical Engineering, Keynote ecture 3, 1999, 49-64. 9 S koski J. Zale no ci korelacyjne cech plastyczno ci gruntó spoistych. n ynieria i Budonicto, Nr 10, 1993. 10 Nagaraj T. S., Miura N. Soft Clay Behaviour: Analysis and Assessment. A. A. Balkema, 2001. Relationship beteen consistency parameters and granulation of fen soils Krzysztof Wilk 1 1 Department of Geodesy and Geotechnics, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Rzeszo University of Technology, e mail: kilk@prz.edu.pl Abstract: Determination of bearing capacity requires knoledge of the ground strength parameters. The best ay to appreciate soil properties is the use of the direct research methods. n the case of less responsible buildings, projected on the simple ground structure, it often seems reasonable to adopt conservative soil parameters ithout performing a complex analysis. The base for determination the values of the geotechnical parameters is the estimation based on the correlation beteen the mechanical and geotechnical parameters of soil. t is important not only for the ne building design, but also to facilitate the verification of the substrate quality during the execution of the ork. This paper presents the relationship beteen granulation (clay fraction content) and soil consistency parameters (plastic limit, liquid limit, plasticity index and liquidity index). The analyzed values are determined as a result of alluvial ground studies. These soils ere consequent upon the accumulation of river. The founded relationships ere described by linear equations and ere compared ith the results presented in the geotechnical literature. These comparisons often sho a significant effect of regional ground forming conditions on the parameters of consistency. Keyords: fen soils, consistency limits, liquidity index, soils granulation, clay fraction.